JP7141569B2 - 電解システム及びその使用方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電解システム及びその使用方法に関する。
従来、電解の一例として、陰極から水素ガス、陽極から酸素ガスが発生するアルカリ水電解が知られている。アルカリ水電解としては、例えば、連続運転において、発生するガスの組成を制御しながら、純度の高いガスを得る改良がなされている（特許文献１）。
近年、二酸化炭素等の温室効果ガスによる地球温暖化、化石燃料の埋蔵量の減少等の問題を解決するため、再生可能エネルギーを利用した風力発電や太陽光発電等の技術が注目されている。
電解装置においても、電力供給源として、再生可能エネルギーから発電された電力を用いることが検討されている。しかしながら、再生可能エネルギーは、出力が気候条件に依存し、その変動が非常に大きいため、電解装置は、供給される電力の急峻な変動や、高頻度の発停運転に対しても、安定的な稼働が求められている。
特に、供給電力が変動すると、電解槽の電極から発生するガス量が変動し、電解槽内のガス圧が変動しやすくなる。電解槽内の内部ガス圧力が変動すると、電解槽の締め付け荷重との差分である締め付け面圧の変動をもたらす。結果、締め付け面圧の過剰によってシール構造や内部構造が損傷したり、締め付け面圧の緩みによる各種リークが発生したりする問題が発生することがあった。
また、連続運転条件の場合でも、停電や機器故障等によって、想定外の面圧変動が発生し、同様の問題が発生する可能性がある。
また、連続運転条件の場合でも、停電や機器故障等によって、想定外の面圧変動が発生し、同様の問題が発生する可能性がある。
従って、本発明の目的は、電解槽の締め付け面圧を一定範囲に保つことで、信頼性の高い運転を実現できる電解システムを提供することにある。
すなわち、本発明は以下の通りである。
［１］
電極を含み、前記電極からガスを発生する電解槽、及び
前記ガスの圧力に応じて前記電解槽の締め付け荷重を制御する締め付け手段を含む、ことを特徴とする電解システム。
［２］
前記締め付け荷重が、前記ガスの圧力に比例して変化する、［１］に記載の電解システム。
［３］
前記ガスの圧力が所定範囲にあるとき、前記締め付け荷重を一定値に保持する、［１］に記載の電解システム。
［４］
電解電流値を参照することにより、前記締め付け荷重を補正制御する、［１］に記載の電解システム。
［５］
前記締め付け手段にアキュムレータが含まれる、［１］～［４］のいずれかに記載の電解システム。
［６］
前記アキュムレータの容積が０．１Ｌ以上１００Ｌ以下である、［５］に記載の電解システム。
［７］
前記締め付け手段が、油圧式の締め付け手段である、［１］～［６］のいずれかに記載の電解システム。
［８］
前記電解槽が、少なくとも１つの電解セルと、前記少なくとも１つの電解セルを挟むようにして前記電解槽の両端に配置された２つのプレス板とを備え、
前記２つのプレス板の一方と、前記油圧式の締め付け手段とが連結しており、
前記少なくとも１つの電解セルと前記２つのプレス板との間のうち、少なくとも、前記油圧式の締め付け手段と連結しているプレス板と前記少なくとも１つの電解セルとの間に、断熱部材を備える、［７］に記載の電解システム。
［９］
アルカリ水電解用である、［１］～［８］のいずれかに記載の電解システム。
［１０］
［１］～［９］のいずれかに記載の電解システムの使用方法。
［１］
電極を含み、前記電極からガスを発生する電解槽、及び
前記ガスの圧力に応じて前記電解槽の締め付け荷重を制御する締め付け手段を含む、ことを特徴とする電解システム。
［２］
前記締め付け荷重が、前記ガスの圧力に比例して変化する、［１］に記載の電解システム。
［３］
前記ガスの圧力が所定範囲にあるとき、前記締め付け荷重を一定値に保持する、［１］に記載の電解システム。
［４］
電解電流値を参照することにより、前記締め付け荷重を補正制御する、［１］に記載の電解システム。
［５］
前記締め付け手段にアキュムレータが含まれる、［１］～［４］のいずれかに記載の電解システム。
［６］
前記アキュムレータの容積が０．１Ｌ以上１００Ｌ以下である、［５］に記載の電解システム。
［７］
前記締め付け手段が、油圧式の締め付け手段である、［１］～［６］のいずれかに記載の電解システム。
［８］
前記電解槽が、少なくとも１つの電解セルと、前記少なくとも１つの電解セルを挟むようにして前記電解槽の両端に配置された２つのプレス板とを備え、
前記２つのプレス板の一方と、前記油圧式の締め付け手段とが連結しており、
前記少なくとも１つの電解セルと前記２つのプレス板との間のうち、少なくとも、前記油圧式の締め付け手段と連結しているプレス板と前記少なくとも１つの電解セルとの間に、断熱部材を備える、［７］に記載の電解システム。
［９］
アルカリ水電解用である、［１］～［８］のいずれかに記載の電解システム。
［１０］
［１］～［９］のいずれかに記載の電解システムの使用方法。
本発明の電解システムは、上記構成を有するため、電解槽の締め付け面圧をほぼ一定に保ち、信頼性の高い運転が実現できる。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
［電解システム］
本実施形態の電解システムは、電極を含み、前記電極からガスを発生する電解槽、及び前記ガスの圧力に応じて前記電解槽の締め付け荷重を制御する締め付け手段を含む。上記電解システムは、上記電解槽と締め付け手段とを含み、さらに、電源、整流器、検知器、アキュムレータ、補助電源制御器、電解液循環ポンプ、気液分離タンク、電流測定器、電解液制御器、ガス精製装置等を含んでいてもよい。
本実施形態の電解システムは、電極を含み、前記電極からガスを発生する電解槽、及び前記ガスの圧力に応じて前記電解槽の締め付け荷重を制御する締め付け手段を含む。上記電解システムは、上記電解槽と締め付け手段とを含み、さらに、電源、整流器、検知器、アキュムレータ、補助電源制御器、電解液循環ポンプ、気液分離タンク、電流測定器、電解液制御器、ガス精製装置等を含んでいてもよい。
図１に、本実施形態の電解システムの一例を示す。図１は、電解槽の締め付け荷重を制御する締め付け手段を説明する図である。
電解システム７０は、電解槽５０と、電解槽５０の締め付け荷重を制御する締め付け手段９０とを備える。電解システム７０は、さらに、電解槽から排出される電解液とガスとの混合物から電解液とガスとを分離する気液分離タンク７２、電解槽の電極から発生したガスの圧力を測定する圧力計７８を備えていてよい。
電解システム７０は、電解槽５０と、電解槽５０の締め付け荷重を制御する締め付け手段９０とを備える。電解システム７０は、さらに、電解槽から排出される電解液とガスとの混合物から電解液とガスとを分離する気液分離タンク７２、電解槽の電極から発生したガスの圧力を測定する圧力計７８を備えていてよい。
ここで、アルカリ電解槽５０を例として、電解槽に作用する荷重、圧力について、図５を用いて説明する。
電解運転中の電解槽５０は、締め付け荷重Ｆcで締め付けられている。そして、電解槽の外枠周りに設けられるガスケット７は、締め付け面圧Ｐgで締め付けられている。電解槽内部には、電解液による平均液頭圧力Ｐlと、電極から発生したガスに起因する内部ガス圧力Ｐoとが作用する。Ｆc、Ｐg、Ｐl、Ｐoは、以下の関係にある。
Ｆc＝Ｐg×Ｓg－（Ｐo＋Ｐl）×Ｓo
（式中、Ｓgはガスケットのシール面積を表し、Ｓoはガスの受圧面積を示す。これらの面積は電解槽運転・停止に関わらず、一定とみなせる。）
また、電気抵抗を下げて電解効率を高めるとともに、過剰熱を除去するため、通常、電解液は一定レベルを保つよう制御される。したがって、電解液のレベルに直接比例する平均液頭圧力Ｐlは一定とみなせる。以上の結果から、内部ガス圧力Ｐoの変動が起こった場合、締め付け荷重Ｆcが一定のままだと、ガスケットの締め付け面圧Ｐgが変動してしまい、電解槽の締め付け不足や締め付け過剰が起こってしまう。
これに対し、本実施形態の電解システムによれば、内部ガス圧力Ｐoをリアルタイムに測定し、測定したガス圧力値Ｐoに応じて電解槽の締め付け荷重Ｆcを制御することを特徴としている。この結果、ガスケット締め付け面圧Ｐgをほぼ一定の範囲に保つことができ、電解運転の信頼性を向上させることができる。
なお、上記ではアルカリ電解槽を例に説明をしたが、固体高分子型や固体酸化物型など、内圧が変化し、シール構造を持った電解槽ならば適用先を問わない。
電解運転中の電解槽５０は、締め付け荷重Ｆcで締め付けられている。そして、電解槽の外枠周りに設けられるガスケット７は、締め付け面圧Ｐgで締め付けられている。電解槽内部には、電解液による平均液頭圧力Ｐlと、電極から発生したガスに起因する内部ガス圧力Ｐoとが作用する。Ｆc、Ｐg、Ｐl、Ｐoは、以下の関係にある。
Ｆc＝Ｐg×Ｓg－（Ｐo＋Ｐl）×Ｓo
（式中、Ｓgはガスケットのシール面積を表し、Ｓoはガスの受圧面積を示す。これらの面積は電解槽運転・停止に関わらず、一定とみなせる。）
また、電気抵抗を下げて電解効率を高めるとともに、過剰熱を除去するため、通常、電解液は一定レベルを保つよう制御される。したがって、電解液のレベルに直接比例する平均液頭圧力Ｐlは一定とみなせる。以上の結果から、内部ガス圧力Ｐoの変動が起こった場合、締め付け荷重Ｆcが一定のままだと、ガスケットの締め付け面圧Ｐgが変動してしまい、電解槽の締め付け不足や締め付け過剰が起こってしまう。
これに対し、本実施形態の電解システムによれば、内部ガス圧力Ｐoをリアルタイムに測定し、測定したガス圧力値Ｐoに応じて電解槽の締め付け荷重Ｆcを制御することを特徴としている。この結果、ガスケット締め付け面圧Ｐgをほぼ一定の範囲に保つことができ、電解運転の信頼性を向上させることができる。
なお、上記ではアルカリ電解槽を例に説明をしたが、固体高分子型や固体酸化物型など、内圧が変化し、シール構造を持った電解槽ならば適用先を問わない。
（締め付け手段）
締め付け手段９０としては、油圧式（図１）、空気圧式、水圧式等が挙げられる。中でも、応答性が早く、温度変化に影響されにくい油圧式の締め付け手段が好ましい。
締め付け手段９０としては、油圧式（図１）、空気圧式、水圧式等が挙げられる。中でも、応答性が早く、温度変化に影響されにくい油圧式の締め付け手段が好ましい。
締め付け手段９０は、シリンダー９１（例えば油圧シリンダー）、遮断弁９２、逃がし弁９３（例えば、油圧逃がし弁）、タンク９４（例えば油タンク）、ポンプ９５（例えば油圧ポンプ）等で形成されていてもよい。例えば、圧力計７８の圧力値に応じて、逃がし弁９３を制御し、シリンダー９１にかける力を制御してよい。
締め付け手段９０は、停電等で圧力を維持できなくなる場合に備えて、アキュムレータ（蓄圧器）９６を備えていてもよい。
締め付け手段９０は、停電等で圧力を維持できなくなる場合に備えて、アキュムレータ（蓄圧器）９６を備えていてもよい。
アキュムレータ９６としては、特に限定されず、従来公知のアキュムレータを用いることができる。
アキュムレータは、一般に、鋼製容器と、当該容器内に収納されたブラダ（ゴム製隔膜）とで構成されている。容器には作動流体の接続口と気体の給気口とが備えられており、ブラダを介して作動流体と気体が隔離される構造となっている。作動流体は前述の通り、油や水などから選定され、気体は一般に窒素ガスなどの不活性ガスが選定される。
気体の圧縮率（一様な圧力を受けた場合の体積変化率）は、水や油などよりも遥かに大きい。このため、作動流体の圧力変化に合わせてブラダの体積が柔軟に変化し、圧力変動を緩和することができる。
例えば、停電時にはポンプ９５が停止してしまうため、遮断弁９２を締め切ったとしても、電解槽５０の温度低下によってシリンダー９１が徐々に伸びていく。この結果、締め付け圧力が保持できなくなり、最終的に電解槽５０からの液漏れ、ガス漏れに至ってしまう可能性がある。
これに対し、アキュムレータ９６を備えることで、シリンダー９１の伸びに応じて気体を充てんしたブラダが膨らんでいき、締め付け圧力を長時間保持することができる。
アキュムレータ９６の容積は、電解槽５０や締め付け手段９０の設計によって異なるが、０．１Ｌ以上１００Ｌ以下であることが好ましく、より好ましくは１Ｌ以上５０Ｌ以下であり、さらに好ましくは２Ｌ以上２０Ｌ以下である。
アキュムレータは、一般に、鋼製容器と、当該容器内に収納されたブラダ（ゴム製隔膜）とで構成されている。容器には作動流体の接続口と気体の給気口とが備えられており、ブラダを介して作動流体と気体が隔離される構造となっている。作動流体は前述の通り、油や水などから選定され、気体は一般に窒素ガスなどの不活性ガスが選定される。
気体の圧縮率（一様な圧力を受けた場合の体積変化率）は、水や油などよりも遥かに大きい。このため、作動流体の圧力変化に合わせてブラダの体積が柔軟に変化し、圧力変動を緩和することができる。
例えば、停電時にはポンプ９５が停止してしまうため、遮断弁９２を締め切ったとしても、電解槽５０の温度低下によってシリンダー９１が徐々に伸びていく。この結果、締め付け圧力が保持できなくなり、最終的に電解槽５０からの液漏れ、ガス漏れに至ってしまう可能性がある。
これに対し、アキュムレータ９６を備えることで、シリンダー９１の伸びに応じて気体を充てんしたブラダが膨らんでいき、締め付け圧力を長時間保持することができる。
アキュムレータ９６の容積は、電解槽５０や締め付け手段９０の設計によって異なるが、０．１Ｌ以上１００Ｌ以下であることが好ましく、より好ましくは１Ｌ以上５０Ｌ以下であり、さらに好ましくは２Ｌ以上２０Ｌ以下である。
上記締め付け荷重は、電極から発生したガスの圧力（例えば、内部ガス圧力）に比例して変化することが好ましい。
電解槽５０の内部ガス圧力は圧力計７８と同じとみなしてよい。すなわち、圧力計７８の計測値の上昇を検知した場合、締め付け手段９０は逃し弁９３の開度制御を行ってシリンダー９１に作用する油圧を増加させることで、電解槽５０の締め付け面圧を一定に保つことができる。
内部ガス圧力の増加に対して油圧が増加する割合としては、例えば、内部ガス圧力の増加に対して、締め付け荷重を直線的に増加させてもよいし（図６の油圧制御１）、曲線的に増加させてもよい。
一方、内部ガス圧力が低下した時は、シリンダー９１の油圧を低下させることで電解槽５０の締め付け面圧を一定に保つことができる。
電解槽５０の内部ガス圧力は圧力計７８と同じとみなしてよい。すなわち、圧力計７８の計測値の上昇を検知した場合、締め付け手段９０は逃し弁９３の開度制御を行ってシリンダー９１に作用する油圧を増加させることで、電解槽５０の締め付け面圧を一定に保つことができる。
内部ガス圧力の増加に対して油圧が増加する割合としては、例えば、内部ガス圧力の増加に対して、締め付け荷重を直線的に増加させてもよいし（図６の油圧制御１）、曲線的に増加させてもよい。
一方、内部ガス圧力が低下した時は、シリンダー９１の油圧を低下させることで電解槽５０の締め付け面圧を一定に保つことができる。
上記締め付け面圧は、０．５ＭＰａ～４．０ＭＰａの範囲になるように制御することが好ましく、より好ましくは１．０ＭＰａ～３．０ＭＰａ、さらに好ましくは１．５ＭＰａ～２．５ＭＰａである。面圧がこの範囲よりも低いと、ガスや電解液のリークが発生しやすくなり、この範囲よりも高いと、ガスケットのクリープが進み、ガスケット自身や電解槽内部構造の損傷を招きやすくなる。
ガス圧力に応じて電解槽の締め付け荷重を制御する手段としては、例えば、ガス圧力→油圧換算表を制御コンピュータ内に入力し、ガス圧力の変化に応じてリアルタイムに逃し弁開度を細かく制御し、油圧を換算値に近づけるフィードバック制御が考えられる。
上記締め付け手段は、電解電流値を参照することにより、上記締め付け荷重を補正制御することができる。より高度な制御として、電解電流値を用いたフィードフォワード制御も適用できる。すなわち、電解電流値と発生ガス量とが比例関係にあることを利用した先読み制御である。フィードフォワード制御は、出力変動速度が非常に大きく、ガス圧力によるフィードフォワード制御では遅れが生じてしまう電解システムに好ましい。
上記締め付け手段は、電解電流値を参照することにより、上記締め付け荷重を補正制御することができる。より高度な制御として、電解電流値を用いたフィードフォワード制御も適用できる。すなわち、電解電流値と発生ガス量とが比例関係にあることを利用した先読み制御である。フィードフォワード制御は、出力変動速度が非常に大きく、ガス圧力によるフィードフォワード制御では遅れが生じてしまう電解システムに好ましい。
再生可能エネルギーのように出力変動を予測しにくい電源と電解槽を接続した場合、ガス圧力の変動に電解槽の締め付け荷重を追従させようとすると、制御の遅れにより、オーバーシュート・アンダーシュートが発生し、適切な締め付けができない場合がある。これに対し、所定の範囲内のガス圧力変動については締め付け荷重を一定にする（不感帯を設ける）ことで、若干の締め付け面圧変動を許容する制御が有効である（図６の油圧制御２）。即ち、上記締め付け手段は、上記ガスの圧力が所定範囲にあるとき、上記締め付け荷重を一定値に保持することが好ましい。図６の例では、内部ガス圧力が６０～８０ｋＰａＧのとき、油圧を一定値８．３ＭＰａＧに保つ不感帯を設けている。
また、ガス圧力を大気開放した場合も、液漏れなどを起こさない最小限の面圧を維持するため、低圧側に不感帯を設ける方法も取ることができる。図６の例では、ガス圧力が低い場合に油圧を５．６ＭＰａＧの一定値とする不感帯を設けている。
不感帯の内部ガス圧力の範囲は、電解槽の構造、電力源の種類や規模、発生するガスの種類等に応じて決めてよい。
不感帯の設定幅として、設計面圧に対し±２０％程度とすることが好ましく、設計面圧に対し±１０％とすることがより好ましい。
また、ガス圧力を大気開放した場合も、液漏れなどを起こさない最小限の面圧を維持するため、低圧側に不感帯を設ける方法も取ることができる。図６の例では、ガス圧力が低い場合に油圧を５．６ＭＰａＧの一定値とする不感帯を設けている。
不感帯の内部ガス圧力の範囲は、電解槽の構造、電力源の種類や規模、発生するガスの種類等に応じて決めてよい。
不感帯の設定幅として、設計面圧に対し±２０％程度とすることが好ましく、設計面圧に対し±１０％とすることがより好ましい。
上記不感帯でかける締め付け荷重としては、特に限定されず、例えば、不感帯を設けるガス圧の範囲において、電解液やガスのリークや電解槽の締め付け過剰が起こらない範囲の荷重をかけてよい。不感帯でかける締め付け荷重は、例えば、同じ電解槽を用いて、上述のＦc、Ｐg、Ｐl、及びＰoの関係を求め、決めてよい。
ガス圧力の増減に応じて締め付け荷重も変動させるが、ガスの圧力が大気圧以下である場合でも、最低でも液頭圧を考慮した締め付け荷重を保持しなければならない。例えば、ガスの圧力が大気圧付近である場合、液頭圧を考慮した締め付け圧力が０．５～３ＭＰａの範囲となるように締め付け荷重を一定値としてよい。
締め付け手段９０は、電極周囲のガスケットに均一に力がかかるように締めつけることが好ましい。
締め付け手段９０は、電解槽の一方の端（例えば、ルーズヘッド側の端）から締め付け荷重をかけてもよいし（図１、２、５）、電解槽の両端からかけてもよい。電解槽の陽極及び陰極から同時にガスが発生する場合は、どちらか高い方のガス圧力に応じて締め付け荷重を制御することが好ましい。ただし、陽極と陰極の差圧が極端に大きくなければ、片方のガス圧力を代表値として締め付け荷重を制御してもよい。
（電解槽）
図２に、本実施形態の電解システムの一例を示す。
電解システム７０は、電解槽５０、電解槽５０の締め付け荷重を制御する締め付け手段９０を含み、さらに供給電源７４、電解液循環ポンプ７１、気液分離タンク７２（７２ｈ、７２ｏ）、濃度計７５、７６、流量計７７、圧力計７８、熱交換器７９、配管８１、圧力制御弁８０等を含んでいてよい。
なお、図１中の矢印は、電解液又は気体が流れる方向である。
図２に、本実施形態の電解システムの一例を示す。
電解システム７０は、電解槽５０、電解槽５０の締め付け荷重を制御する締め付け手段９０を含み、さらに供給電源７４、電解液循環ポンプ７１、気液分離タンク７２（７２ｈ、７２ｏ）、濃度計７５、７６、流量計７７、圧力計７８、熱交換器７９、配管８１、圧力制御弁８０等を含んでいてよい。
なお、図１中の矢印は、電解液又は気体が流れる方向である。
以下、本実施形態の電解システムの構成要素について詳細に説明する。
上記電解槽は、少なくとも１つの電極エレメントが並列に接続された単極式であってもよいし、多数の電極エレメントからなる複極式であってもよい。
例えば、複極式は、多数の電極エレメントを電源に接続する方法の１つであり、片面が陽極２ａ、片面が陰極２ｃとなる複数の複極式エレメント６０を、隔膜４を挟んで同じ向きに並べて直列に接続し、両端のみを電源に接続する方法である（図３）。上記電解槽としては、例えば、隣り合う２つのエレメント（例えば、陽極ターミナルエレメント５１ａ、複極式エレメント６０、及び陰極ターミナルエレメント５１ｃのうちの隣り合う２つのエレメント等）において、隔膜４を挟んで一方のエレメントの陽極２ａと他方のエレメントの陰極２ｃとを並べる構造を少なくとも１つ有する電解槽が挙げられる。隔膜４は、電解槽内の全ての隣り合う２つのエレメント間に設けられていることが好ましい。
複極式電解槽は、電源の電流を小さくできるという特徴を持ち、電解により化合物や所定の物質等を短時間で大量に製造することができる。電源設備は出力が同じであれば、低電流、高電圧の方が安価でコンパクトになるため、工業的には単極式よりも複極式の方が好ましい。
例えば、複極式は、多数の電極エレメントを電源に接続する方法の１つであり、片面が陽極２ａ、片面が陰極２ｃとなる複数の複極式エレメント６０を、隔膜４を挟んで同じ向きに並べて直列に接続し、両端のみを電源に接続する方法である（図３）。上記電解槽としては、例えば、隣り合う２つのエレメント（例えば、陽極ターミナルエレメント５１ａ、複極式エレメント６０、及び陰極ターミナルエレメント５１ｃのうちの隣り合う２つのエレメント等）において、隔膜４を挟んで一方のエレメントの陽極２ａと他方のエレメントの陰極２ｃとを並べる構造を少なくとも１つ有する電解槽が挙げられる。隔膜４は、電解槽内の全ての隣り合う２つのエレメント間に設けられていることが好ましい。
複極式電解槽は、電源の電流を小さくできるという特徴を持ち、電解により化合物や所定の物質等を短時間で大量に製造することができる。電源設備は出力が同じであれば、低電流、高電圧の方が安価でコンパクトになるため、工業的には単極式よりも複極式の方が好ましい。
図３に電解槽５０の一例を示す。
図３に示す電解槽５０は、複極式電解槽である。電解槽５０は、一端からファストヘッド５１ｈ、絶縁板５１ｉ、陽極ターミナルエレメント５１ａが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７、複極式エレメント６０が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式エレメント６０は陽極ターミナルエレメント５１ａ側に陰極２ｃを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント５１ｃ、絶縁板５１ｉ、ルーズヘッド５１ｇをこの順番で配置される。
複極式電解槽は、全体をタイロッド方式５１ｒ（図３参照）や油圧シリンダー方式等の締め付け手段により締め付けることにより一体化され、複極式電解槽となる。
複極式エレメント６０は、陽極２ａと、陰極２ｃと、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１と、隔壁１を縁取る外枠３とを備えている。各複極式エレメント６０は、隔膜４を挟んで重ね合わせられている。
複極式電解槽を構成する配置は、陽極２ａ側からでも陰極２ｃ側からでも任意に選択でき、上述の順序に限定されるものではない。
図３に示す電解槽５０は、複極式電解槽である。電解槽５０は、一端からファストヘッド５１ｈ、絶縁板５１ｉ、陽極ターミナルエレメント５１ａが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７、複極式エレメント６０が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式エレメント６０は陽極ターミナルエレメント５１ａ側に陰極２ｃを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分７から複極式エレメント６０までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分７、隔膜４、陰極側ガスケット部分７を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント５１ｃ、絶縁板５１ｉ、ルーズヘッド５１ｇをこの順番で配置される。
複極式電解槽は、全体をタイロッド方式５１ｒ（図３参照）や油圧シリンダー方式等の締め付け手段により締め付けることにより一体化され、複極式電解槽となる。
複極式エレメント６０は、陽極２ａと、陰極２ｃと、陽極２ａと陰極２ｃとを隔離する隔壁１と、隔壁１を縁取る外枠３とを備えている。各複極式エレメント６０は、隔膜４を挟んで重ね合わせられている。
複極式電解槽を構成する配置は、陽極２ａ側からでも陰極２ｃ側からでも任意に選択でき、上述の順序に限定されるものではない。
上記電解槽５０において、隔壁１と外枠３と隔膜４とにより、電解液が通過する電極室５が画成されている（図４）。
本実施形態では、特に、複極式電解槽５０における、隣接する２つの複極式エレメント６０間の互いの隔壁１間における部分、及び、隣接する複極式エレメント６０とターミナルエレメントとの間の互いの隔壁１間における部分を電解セル６５と称する（図４）。電解セル６５は、一方の複極式エレメントの隔壁１、陽極室５ａ、陽極２ａ、及び、隔膜４、及び、他方の複極式エレメントの陰極２ｃ、陰極室５ｃ、隔壁１を含む。
なお、陽極と陰極の剛性を高め、２つの電極を押しつけても変形が少ない構造とし、電極室内に流れる電解液の方向を制御する観点から、電極は、整流板６（リブ）を設けてもよい（図４）。また、同様の理由から、整流板６（リブ）の先端に集電体２ｒを取り付け、その集電体２ｒの上面側、つまり、隔壁１側とは反対となる側に導電性弾性体２ｅを取り付け、さらに、その上面側、つまり、導電性弾性体２ｅに隣接して隔膜４側となる部分に電極２を重ねた少なくとも３層構造としてもよい。
本実施形態では、特に、複極式電解槽５０における、隣接する２つの複極式エレメント６０間の互いの隔壁１間における部分、及び、隣接する複極式エレメント６０とターミナルエレメントとの間の互いの隔壁１間における部分を電解セル６５と称する（図４）。電解セル６５は、一方の複極式エレメントの隔壁１、陽極室５ａ、陽極２ａ、及び、隔膜４、及び、他方の複極式エレメントの陰極２ｃ、陰極室５ｃ、隔壁１を含む。
なお、陽極と陰極の剛性を高め、２つの電極を押しつけても変形が少ない構造とし、電極室内に流れる電解液の方向を制御する観点から、電極は、整流板６（リブ）を設けてもよい（図４）。また、同様の理由から、整流板６（リブ）の先端に集電体２ｒを取り付け、その集電体２ｒの上面側、つまり、隔壁１側とは反対となる側に導電性弾性体２ｅを取り付け、さらに、その上面側、つまり、導電性弾性体２ｅに隣接して隔膜４側となる部分に電極２を重ねた少なくとも３層構造としてもよい。
電解槽５０は、電気抵抗を下げて電解効率を向上させるため、隔膜４が陽極２ａ及び陰極２ｃに接触して挟み込まれるゼロギャップ構造を形成してもよい（図４）。
上記電解槽において、電解セル６５の数としては、１０～４００組であることが好ましく、より好ましくは５０～２５０組である。
電解槽に電解液およびガスを流通させるためのヘッダーの配設態様として、代表的には、内部ヘッダー型と外部ヘッダー型とがあるが、いずれの型を採用してもよい。
内部ヘッダー型とは、電解槽５０とヘッダー（電解液を配液又は集液する管）とが一体化されている形式をいう。例えば、内部ヘッダー型電解槽では、陽極入口ヘッダー及び陰極入口ヘッダーが、隔壁１内及び／又は外枠３内の下部に設けられ、且つ、隔壁１に垂直な方向に延在するように設けられ、また、陽極出口ヘッダー及び陰極出口ヘッダーが、隔壁１内及び／又は外枠３内の上部に設けられ、且つ、隔壁１に垂直な方向に延在するように設けられる。
外部ヘッダー型とは、電解槽５０とヘッダー（電解液を配液又は集液する管）とが独立している形式をいう。例えば、外部ヘッダー型電解槽は、陽極入口ヘッダー及び陰極入口ヘッダー、陽極出口ヘッダー及び陰極出口ヘッダーが、電解槽の通電面に対し、垂直方向に、電解槽と並走する形で、独立して設けられる。これらのヘッダーと、各複極式エレメントが、ホースで接続される。
内部ヘッダー型とは、電解槽５０とヘッダー（電解液を配液又は集液する管）とが一体化されている形式をいう。例えば、内部ヘッダー型電解槽では、陽極入口ヘッダー及び陰極入口ヘッダーが、隔壁１内及び／又は外枠３内の下部に設けられ、且つ、隔壁１に垂直な方向に延在するように設けられ、また、陽極出口ヘッダー及び陰極出口ヘッダーが、隔壁１内及び／又は外枠３内の上部に設けられ、且つ、隔壁１に垂直な方向に延在するように設けられる。
外部ヘッダー型とは、電解槽５０とヘッダー（電解液を配液又は集液する管）とが独立している形式をいう。例えば、外部ヘッダー型電解槽は、陽極入口ヘッダー及び陰極入口ヘッダー、陽極出口ヘッダー及び陰極出口ヘッダーが、電解槽の通電面に対し、垂直方向に、電解槽と並走する形で、独立して設けられる。これらのヘッダーと、各複極式エレメントが、ホースで接続される。
－電極－
上記電極の種類としては、電解反応の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、水電解装置である場合は、陽極で酸素ガス、陰極で水素ガスが発生する電極を選択することができる。また、食塩電解装置である場合は、陽極で塩素ガス、陰極で水素ガスが発生する電極を選択することができる。
上記電極の種類としては、電解反応の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、水電解装置である場合は、陽極で酸素ガス、陰極で水素ガスが発生する電極を選択することができる。また、食塩電解装置である場合は、陽極で塩素ガス、陰極で水素ガスが発生する電極を選択することができる。
電極としては、表面積を増加させるため、また、電解により発生するガスを効率的に電極表面から除去するため等の目的で、電極基材が多孔体であることが好ましい。多孔体の例としては、平織メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金属発泡体等が挙げられる。中でも、担体として比表面積を確保すること、及び脱泡性を両立する観点から、メッシュ構造が好ましい。
上記電極は、基材そのものとしてもよく、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものとしてもよいが、基材の表面に反応活性の高い触媒層を有するものが好ましい。
基材の材料は、使用環境への耐性から、鋼、ステンレス、ニッケル、ニッケル基合金が好ましく、ニッケルを含む基材がより好ましい。
基材上に触媒層を形成させる方法としては、めっき法、プラズマ溶射法等の溶射法、基材上に前駆体層溶液を塗布した後に熱を加える熱分解法、触媒物質をバインダー成分と混合して基材に固定化する方法、及び、スパッタリング法等の真空成膜法といった手法が挙げられる。
アルカリ水電解の場合、陽極の触媒層は、酸素発生能が高いことが好ましく、ニッケル、コバルト、鉄、又は白金族元素を用いることができ、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体、酸化物等の化合物、複数の金属元素を含む複合酸化物や合金、又はこれらの混合物を用いて形成される触媒層が好ましい。
また、陰極の触媒層は、水素発生能が高いことが好ましく、ニッケル、コバルト、鉄、又は白金族元素等を用いることができる。
また、陰極の触媒層は、水素発生能が高いことが好ましく、ニッケル、コバルト、鉄、又は白金族元素等を用いることができる。
－隔壁－
隔壁１の材料としては、電力の均一な供給を実現する観点から、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ステンレス、ニッケル合金、鋼やニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
隔壁１の材料としては、電力の均一な供給を実現する観点から、導電性を有する材料が好ましく、耐アルカリ性や耐熱性といった面から、ニッケル、ステンレス、ニッケル合金、鋼やニッケル合金上にニッケルメッキを施したものが好ましい。
－隔膜－
上記隔膜４としては、イオンを導通しつつ、発生するガス（例えば、アルカリ水電解の場合は水素ガスと酸素ガス）を隔離するために、イオン透過性の隔膜４が使用することが好ましい。このイオン透過性の隔膜４としては、イオン交換能を有するイオン交換膜、電解液を浸透することができる多孔膜等を用いることができる。このイオン透過性の隔膜４は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、強度が強いものが好ましい。
上記隔膜４としては、イオンを導通しつつ、発生するガス（例えば、アルカリ水電解の場合は水素ガスと酸素ガス）を隔離するために、イオン透過性の隔膜４が使用することが好ましい。このイオン透過性の隔膜４としては、イオン交換能を有するイオン交換膜、電解液を浸透することができる多孔膜等を用いることができる。このイオン透過性の隔膜４は、ガス透過性が低く、イオン伝導率が高く、強度が強いものが好ましい。
－ガスケット－
電解槽５０では、図３、４に示すように、隔壁１を縁取る外枠３同士の間に、隔膜４と共にガスケット７が挟持されることが好ましい。ガスケットは、複極式エレメント６０と隔膜４との間、複極式エレメント６０間を電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの電解槽外への漏れや両極室間におけるガス混合を防ぐことができる。
ガスケットの材質としては、例えば、ＥＰＤＭゴム等のゴムが挙げられる。
電解槽５０では、図３、４に示すように、隔壁１を縁取る外枠３同士の間に、隔膜４と共にガスケット７が挟持されることが好ましい。ガスケットは、複極式エレメント６０と隔膜４との間、複極式エレメント６０間を電解液と発生ガスに対してシールするために使用され、電解液や発生ガスの電解槽外への漏れや両極室間におけるガス混合を防ぐことができる。
ガスケットの材質としては、例えば、ＥＰＤＭゴム等のゴムが挙げられる。
ここで、特に、アキュムレータ９６を備えた油圧式の締め付け手段９０を備える電解システム７０（図１参照）においては、電解セルの温度変化によって以下のように締め付け手段９０の油圧が変化し、延いてはガスケット７のシール性（図５参照）を喪失するおそれがある。
（１）電解により電解セルの温度が上昇すると、熱伝導により締め付け手段９０の油温も上昇し、アキュムレータ９６に封入されたガスの温度も上昇する。
（２）アキュムレータ９６に封入されたガスが温度上昇により膨張すると、油圧が上昇し、電解槽５０の締め付け面圧が上昇する。その結果、ガスケット７が締め付け方向に圧縮され、ガスケット７が締め付け面の外に逃げる（はみ出す）ようになる。
（３）電解が終了して電解セルの温度が低下すると、締め付け手段９０の油温も低下し、アキュムレータ９６に封入されたガスの温度も低下する。
（４）アキュムレータ９６に封入されたガスが温度低下により収縮すると、油圧が低下し、電解槽５０の締め付け面圧も低下する。しかしながら、一旦外にはみ出したガスケット７は、抵抗が大きいため元の電解前の状態に戻ることができず、外にはみ出した状態のままとなる。
（５）（１）～（４）の繰返しにより、ガスケット７のはみ出しが進行する。ガスケット７のはみ出しが進行すると、シール性が失われ、電解液や発生ガスの漏れが生じるおそれがある。加えて、ガスケット７のはみ出しが進行することにより締め付け荷重を受けるガスケット７の受圧面積が縮小し、ガスケット７の締め付け面圧が過剰となるおそれがある。過剰な締め付け面圧はガスケット７の割れを引き起こし、この割れもまたシール性を失う要因となる。
（１）電解により電解セルの温度が上昇すると、熱伝導により締め付け手段９０の油温も上昇し、アキュムレータ９６に封入されたガスの温度も上昇する。
（２）アキュムレータ９６に封入されたガスが温度上昇により膨張すると、油圧が上昇し、電解槽５０の締め付け面圧が上昇する。その結果、ガスケット７が締め付け方向に圧縮され、ガスケット７が締め付け面の外に逃げる（はみ出す）ようになる。
（３）電解が終了して電解セルの温度が低下すると、締め付け手段９０の油温も低下し、アキュムレータ９６に封入されたガスの温度も低下する。
（４）アキュムレータ９６に封入されたガスが温度低下により収縮すると、油圧が低下し、電解槽５０の締め付け面圧も低下する。しかしながら、一旦外にはみ出したガスケット７は、抵抗が大きいため元の電解前の状態に戻ることができず、外にはみ出した状態のままとなる。
（５）（１）～（４）の繰返しにより、ガスケット７のはみ出しが進行する。ガスケット７のはみ出しが進行すると、シール性が失われ、電解液や発生ガスの漏れが生じるおそれがある。加えて、ガスケット７のはみ出しが進行することにより締め付け荷重を受けるガスケット７の受圧面積が縮小し、ガスケット７の締め付け面圧が過剰となるおそれがある。過剰な締め付け面圧はガスケット７の割れを引き起こし、この割れもまたシール性を失う要因となる。
上記のような油圧の変化、延いてはガスケット７のシール性喪失を防ぐため、電解槽５０が、少なくとも１つの電解セルと、該少なくとも１つの電解セルを挟むようにして電解槽５０の両端に配置された２つのプレス板とを備え、２つのプレス板の一方と油圧式締め付け手段９０とが連結しており、上記少なくとも１つの電解セルと２つのプレス板との間のうち、少なくとも、油圧式締め付け手段９０と連結しているプレス板と上記少なくとも１つの電解セルとの間に、断熱部材を備えていてもよい。
少なくとも、電解セルと、油圧式締め付け手段９０に連結するプレス板との間に断熱部材を備えることにより、電解中に電解セルが高温になった際に、電解槽から油圧式締め付け手段９０への熱伝導を低減することができる。これにより、上記（１）～（４）に記載されるような油圧の変化を低減することができるため、特に油圧自動制御機構の無い油圧式締め付け手段９０を用いた電解システムにおいて有効である。また、油圧自動制御機構を有する油圧式締め付け手段９０を備えた電解槽システムにおいても、停電時など、アキュムレータ９６のみによって油圧を保持する状態となった場合に有効である。また、油圧の変化を低減することにより、ガスケット７が圧縮されて外にはみ出るのを防ぐことができるため、ガスケット７のシール性喪失を低減することができる。
少なくとも、電解セルと、油圧式締め付け手段９０に連結するプレス板との間に断熱部材を備えることにより、電解中に電解セルが高温になった際に、電解槽から油圧式締め付け手段９０への熱伝導を低減することができる。これにより、上記（１）～（４）に記載されるような油圧の変化を低減することができるため、特に油圧自動制御機構の無い油圧式締め付け手段９０を用いた電解システムにおいて有効である。また、油圧自動制御機構を有する油圧式締め付け手段９０を備えた電解槽システムにおいても、停電時など、アキュムレータ９６のみによって油圧を保持する状態となった場合に有効である。また、油圧の変化を低減することにより、ガスケット７が圧縮されて外にはみ出るのを防ぐことができるため、ガスケット７のシール性喪失を低減することができる。
－プレス板－
プレス板は、電解セルを挟むようにして電解槽５０の両端に配置され、油圧式締め付け手段９０からの締め付け荷重により電解槽５０に締め付け面圧を与える。
プレス板としては、例えば、図３の電解槽５０におけるファストヘッド５１ｈ及びルーズヘッド５１ｇ（但し、電解槽５０の締め付け手段はタイロッド式から油圧式に変更）がこれに相当し、また、例えば、図５のルーズヘッド５１ｇが、油圧式締め付け手段９０に連結するプレス板に相当する。
プレス板の材質としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを使用することができる。具体的には、ステンレス鋼、機械構造用炭素鋼、ニッケル等が挙げられる。
プレス板は、電解セルを挟むようにして電解槽５０の両端に配置され、油圧式締め付け手段９０からの締め付け荷重により電解槽５０に締め付け面圧を与える。
プレス板としては、例えば、図３の電解槽５０におけるファストヘッド５１ｈ及びルーズヘッド５１ｇ（但し、電解槽５０の締め付け手段はタイロッド式から油圧式に変更）がこれに相当し、また、例えば、図５のルーズヘッド５１ｇが、油圧式締め付け手段９０に連結するプレス板に相当する。
プレス板の材質としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを使用することができる。具体的には、ステンレス鋼、機械構造用炭素鋼、ニッケル等が挙げられる。
－断熱部材－
断熱部材は、電解セル（複数の電解セルが連結している場合は、連結した電解セルスタック）とプレス板との間に配置されて、電解中の電解セルからプレス板への熱伝導を低減する。これにより、電解中に電解セルが高温になった際に、プレス板を介した電解セルから油圧式締め付け手段９０への熱伝導を低減することができ、油温の上昇を抑えることができる。
断熱部材は、少なくとも、油圧式締め付け手段９０と連結している方のプレス板と電解セル（複数の場合は電解セルスタック）との間に配置されていればよいが、両方のプレス板と電解セル（複数の場合は電解セルスタック）との間に配置されている方がより好ましい。
断熱部材の材質としては、熱伝導率が小さいものが好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）等が挙げられる。中でも、熱伝導率が低く、電気絶縁性も期待できるＰＴＦＥ、ポリ塩化ビニルが好ましい。
断熱部材は、電解セル（複数の電解セルが連結している場合は、連結した電解セルスタック）とプレス板との間に配置されて、電解中の電解セルからプレス板への熱伝導を低減する。これにより、電解中に電解セルが高温になった際に、プレス板を介した電解セルから油圧式締め付け手段９０への熱伝導を低減することができ、油温の上昇を抑えることができる。
断熱部材は、少なくとも、油圧式締め付け手段９０と連結している方のプレス板と電解セル（複数の場合は電解セルスタック）との間に配置されていればよいが、両方のプレス板と電解セル（複数の場合は電解セルスタック）との間に配置されている方がより好ましい。
断熱部材の材質としては、熱伝導率が小さいものが好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）等が挙げられる。中でも、熱伝導率が低く、電気絶縁性も期待できるＰＴＦＥ、ポリ塩化ビニルが好ましい。
断熱部材は、１００℃における熱伝導率が、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、より好ましくは１Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、さらに好ましくは０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、よりさらに好ましくは０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、特に好ましくは０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。
また、断熱部材の電解温度における熱伝導率Ａは、プレス板の電解温度における熱伝導率Ｂよりも小さいことが好ましい。熱伝導率Ａが熱伝導率Ｂよりも小さいことにより、プレス板に接続している油圧式締め付け手段９０への熱伝導が低減し、油温の上昇を低減することができるため、アキュムレータ９６に封入されたガスの温度上昇及び膨張を低減することができ、油圧の上昇を防ぐことができる。
なお、上記熱伝導率は、保護熱板法などの定常法により測定される値である。
また、断熱部材の電解温度における熱伝導率Ａは、プレス板の電解温度における熱伝導率Ｂよりも小さいことが好ましい。熱伝導率Ａが熱伝導率Ｂよりも小さいことにより、プレス板に接続している油圧式締め付け手段９０への熱伝導が低減し、油温の上昇を低減することができるため、アキュムレータ９６に封入されたガスの温度上昇及び膨張を低減することができ、油圧の上昇を防ぐことができる。
なお、上記熱伝導率は、保護熱板法などの定常法により測定される値である。
また、断熱部材は、電気絶縁性であることが好ましい。そのため、電解温度における断熱部材の体積抵抗率は、１ｋΩ・ｃｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１ＭΩ・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１ＧΩ・ｃｍ以上である。
なお、上記体積抵抗率は、定電圧印加/漏洩電流測定方式により測定される値である。
断熱部材は、電気絶縁性も有する場合、絶縁板（例えば、図３の電解槽５０における絶縁板５１ｉ、但し、電解槽５０の締め付け手段はタイロッド式から油圧式に変更）を兼ねてもよい。また、断熱部材と絶縁板の両方を備える場合、断熱部材、絶縁板、プレス板の順に配置されていてもよいし、絶縁板、断熱部材、プレス板の順に配置されていてもよい。
なお、上記体積抵抗率は、定電圧印加/漏洩電流測定方式により測定される値である。
断熱部材は、電気絶縁性も有する場合、絶縁板（例えば、図３の電解槽５０における絶縁板５１ｉ、但し、電解槽５０の締め付け手段はタイロッド式から油圧式に変更）を兼ねてもよい。また、断熱部材と絶縁板の両方を備える場合、断熱部材、絶縁板、プレス板の順に配置されていてもよいし、絶縁板、断熱部材、プレス板の順に配置されていてもよい。
（圧力計）
圧力計７８は、電解槽内に設置してもよいし、電解槽外に設置してもよい。ただし、電解槽本体は電圧が印加されるため、電送式の圧力計の設置が不適な場合があることから、電解槽外に圧力計を設置されることが一般的である。出口配管に大きな圧損が発生するようなシステムでない限り、電解槽内のガス圧力と電解槽下流のガス圧力はほぼ等しいとみなしてよい。
圧力計７８は、電解槽内に設置してもよいし、電解槽外に設置してもよい。ただし、電解槽本体は電圧が印加されるため、電送式の圧力計の設置が不適な場合があることから、電解槽外に圧力計を設置されることが一般的である。出口配管に大きな圧損が発生するようなシステムでない限り、電解槽内のガス圧力と電解槽下流のガス圧力はほぼ等しいとみなしてよい。
（電解液循環ポンプ）
上記電解液循環ポンプ７１としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
上記電解液循環ポンプ７１により、電解槽５０中及び配管８１を流れる電解液を循環させることができる。
上記電解液循環ポンプ７１としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
上記電解液循環ポンプ７１により、電解槽５０中及び配管８１を流れる電解液を循環させることができる。
（気液分離タンク）
上記気液分離タンク７２は、電解液と電解槽で発生する気体とを分離するタンクであることが好ましく、電解槽の陽極で発生する気体と電解液とを分離する陽極側気液分離タンク７２ｏ及び電解槽の陰極で発生する気体と電解液とを分離する陰極側気液分離タンク７２ｈであることが好ましい。
例えば、アルカリ水電解の場合、陽極で酸素、陰極で水素が発生する。この場合、上記陽極側気液分離タンク７２ｏは酸素分離タンクであり、上記陰極側気液分離タンク７２ｈは水素分離タンクである。
上記気液分離タンク７２は、電解液と電解槽で発生する気体とを分離するタンクであることが好ましく、電解槽の陽極で発生する気体と電解液とを分離する陽極側気液分離タンク７２ｏ及び電解槽の陰極で発生する気体と電解液とを分離する陰極側気液分離タンク７２ｈであることが好ましい。
例えば、アルカリ水電解の場合、陽極で酸素、陰極で水素が発生する。この場合、上記陽極側気液分離タンク７２ｏは酸素分離タンクであり、上記陰極側気液分離タンク７２ｈは水素分離タンクである。
（配管）
上記配管８１としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
上記配管８１は、電解液を電解槽５０外へ流す配管である。例えば、図１に示すように、電解槽５０と気液分離タンク７２、気液分離タンク７２と電解液循環ポンプ７１、電解液循環ポンプ７１と電解槽５０とをつなぐことができる。
なお、気液分離タンク７２で分離した気体と圧力計７８、圧力制御弁８０、濃度計７５、７６は、気体用の管でつながれていることが好ましい。
上記配管８１としては、特に限定されず、適宜定められてよい。
上記配管８１は、電解液を電解槽５０外へ流す配管である。例えば、図１に示すように、電解槽５０と気液分離タンク７２、気液分離タンク７２と電解液循環ポンプ７１、電解液循環ポンプ７１と電解槽５０とをつなぐことができる。
なお、気液分離タンク７２で分離した気体と圧力計７８、圧力制御弁８０、濃度計７５、７６は、気体用の管でつながれていることが好ましい。
（供給電源）
上記供給電源は、直流電源であることが好ましい。
上記供給電源は、直流電源であることが好ましい。
上記供給電源は、再生エネルギー等の出力が変動するエネルギー源による発電で得られた電力を用いた電源（変動電源）であってもよいし、出力がほぼ一定の電源（一定電源）であってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。中でも、温室効果ガスの発生等を抑え、本発明の効果が得られやすいという観点から、風力、太陽光、水力、潮力、波力、海流、及び地熱からなる群から選ばれる少なくとも一つの再生可能エネルギー出力由来の変動電源あるいは一定電源であることがより好ましく、太陽光出力由来の電源、又は風力出力由来の変動電源であることがさらに好ましい。
なお、停電時や電源停止時等の供給電源からの電力の供給が止まった際等にも電解槽の締め付けの変動が発生することがあるため、一定電源を用いる場合でも本発明は有効である。上記一定電源としては、グリッドを通して供給される電力の電力源、蓄電池電源等が挙げられる。グリッドを通して供給される電力源は、火力、原子力等の安定な電力源由来の電源であってもよいし、再生可能エネルギー出力由来等の変動電源と安定な電源由来の電源との組み合わせであってもよい。
なお、停電時や電源停止時等の供給電源からの電力の供給が止まった際等にも電解槽の締め付けの変動が発生することがあるため、一定電源を用いる場合でも本発明は有効である。上記一定電源としては、グリッドを通して供給される電力の電力源、蓄電池電源等が挙げられる。グリッドを通して供給される電力源は、火力、原子力等の安定な電力源由来の電源であってもよいし、再生可能エネルギー出力由来等の変動電源と安定な電源由来の電源との組み合わせであってもよい。
上記電源から供給される電力は、電解槽へ供給される前に、整流器で直流に変換してもよい。上記整流器は、電解槽の直前に１つ設けられていてもよいし、各電源と電解槽との間に設けられていてもよい。
上記電解としては、水電解、食塩電解、無機電解、有機電解等が挙げられる。中でも、変動電源に対する応答性の点で、アルカリ水電解装置、固体高分子水電解装置、イオン交換膜法食塩電解装置が好ましい。
［電解システムの使用方法］
本実施形態の使用方法は、上述の本実施形態の電解システムを用いる。
例えば、電解槽に電力を供給して、電解槽で電解反応を生じさせ、電極から発生するガス圧力に応じて電解槽の締め付け荷重を制御させて用いる。
本実施形態の使用方法は、上述の本実施形態の電解システムを用いる。
例えば、電解槽に電力を供給して、電解槽で電解反応を生じさせ、電極から発生するガス圧力に応じて電解槽の締め付け荷重を制御させて用いる。
上記電解システムとしては、例えば、アルカリ水電解、固体高分子水電解、食塩電解に用いることができる。
アルカリ水電解である場合、電解液として、アルカリ塩が溶解したアルカリ性の水溶液を用いてよく、ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液等を使用し、陰極で発生する水素ガスの製造、及び／又は陽極で発生する酸素ガスの製造に用いてよい。
固体高分子水電解である場合、陽極上での水の電気分解とイオン交換膜を通じたプロトン移動により、陰極で発生する水素ガスの製造、及び／又は陽極で発生する酸素ガスの製造に用いてよい。
食塩電解である場合、電解液として、塩水、及びＮａＯＨを使用し、陰極で発生する水素ガスの製造、及び／又は陽極で発生する塩素ガスの製造に用いてよい。
アルカリ水電解である場合、電解液として、アルカリ塩が溶解したアルカリ性の水溶液を用いてよく、ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液等を使用し、陰極で発生する水素ガスの製造、及び／又は陽極で発生する酸素ガスの製造に用いてよい。
固体高分子水電解である場合、陽極上での水の電気分解とイオン交換膜を通じたプロトン移動により、陰極で発生する水素ガスの製造、及び／又は陽極で発生する酸素ガスの製造に用いてよい。
食塩電解である場合、電解液として、塩水、及びＮａＯＨを使用し、陰極で発生する水素ガスの製造、及び／又は陽極で発生する塩素ガスの製造に用いてよい。
図７に水電解装置の立ち上げおよび変動運転に伴う水素ガス圧力の経時変化グラフ例を示す。ほぼ大気圧（約２ｋＰａＧ）から数分間で運転圧力である約７０ｋＰａＧまで上昇する。その後、出力変動に応じて±１０ｋＰａの範囲で圧力が上下する。
このガス圧力変動に対し、図６の２種類の油圧制御方法を適用したシミュレーション結果を図８、９にそれぞれ示す。水素ガス圧力に応じて締め付け装置の油圧を直線的に増加させる油圧制御１を適用した実施例（図８）では、ガス圧力の変動に応じて油圧も細かく上下するが、締め付け面圧は２ＭＰａで変動はほとんど起きない。
一方、不感帯を設けた油圧制御２を適用した実施例（図９）では、大きなガス圧力変動に対しては油圧が応答しているが、ガス圧力の細かな変動に対し、油圧は反応しないことが分かる。この結果、締め付け面圧にガス圧力変動が反映されるが、２ＭＰａ±０．２ＭＰａの範囲の変動にとどまっているので、気密性や部材損傷などの悪影響は無いものとみなせる。
このガス圧力変動に対し、図６の２種類の油圧制御方法を適用したシミュレーション結果を図８、９にそれぞれ示す。水素ガス圧力に応じて締め付け装置の油圧を直線的に増加させる油圧制御１を適用した実施例（図８）では、ガス圧力の変動に応じて油圧も細かく上下するが、締め付け面圧は２ＭＰａで変動はほとんど起きない。
一方、不感帯を設けた油圧制御２を適用した実施例（図９）では、大きなガス圧力変動に対しては油圧が応答しているが、ガス圧力の細かな変動に対し、油圧は反応しないことが分かる。この結果、締め付け面圧にガス圧力変動が反映されるが、２ＭＰａ±０．２ＭＰａの範囲の変動にとどまっているので、気密性や部材損傷などの悪影響は無いものとみなせる。
図１０Ａ～１０Ｃに、油圧式の締め付け手段９０を備えた水電解システム７０（図１参照）を外気温５℃で運転中に停電が起きた場合を想定したシミュレーション結果を示す。なお、電解槽は断熱手段を備えないものとした。
停電が起きると、油圧ポンプ９５が停止するが、自動的に遮断弁９２も閉止し、油圧シリンダー９１内の油圧を保つように作用する。続いて、電解槽５０内の水素ガス、酸素ガスが安全のために自動的に大気中へ開放される。この結果、油圧はガスケット７が単独で受けることとなり、ガスケット７の締め付け面圧が上昇する。
さらに時間が経過すると、発熱源が無いので電解槽５０の温度は徐々に低下し、熱収縮によって電解槽５０の長さが短くなる。この結果、油圧シリンダー９１が徐々に伸びる（例えば、図１の場合は、油圧シリンダー９１のピストンが徐々に右へ移動する）が、油圧供給源が無いため、油圧は急激に低下する。このため、アキュムレータ９６無しの油圧式締め付け手段９０を用いた場合のシミュレーション結果（図１０Ａ）では、およそ３０時間後にガスケット７の締め付け面圧が下限値１．５ＭＰａに達し、さらに停電が長時間に亘った場合、電解液漏れなどの事象発生が懸念される面圧に達しうる。
一方、アキュムレータ９６を備える油圧式締め付け手段９０を用いた場合、油圧シリンダー９１が伸びた分、アキュムレータ９６内に封入されたガス（ガスバッグ）が膨らむことで、油圧は高いレベルを維持することができる。そのため、アキュムレータ９６を備える場合のシミュレーション結果（図１０Ｂ及び図１０Ｃ）では、１００時間経過後も十分な締め付け面圧を保つことが確認された。なお、図１０Ｂは容積が５Ｌのアキュムレータ９６を用いた場合、図１０Ｃは容積が１０Ｌのアキュムレータ９６を用いた場合のシミュレーション結果である。
停電が起きると、油圧ポンプ９５が停止するが、自動的に遮断弁９２も閉止し、油圧シリンダー９１内の油圧を保つように作用する。続いて、電解槽５０内の水素ガス、酸素ガスが安全のために自動的に大気中へ開放される。この結果、油圧はガスケット７が単独で受けることとなり、ガスケット７の締め付け面圧が上昇する。
さらに時間が経過すると、発熱源が無いので電解槽５０の温度は徐々に低下し、熱収縮によって電解槽５０の長さが短くなる。この結果、油圧シリンダー９１が徐々に伸びる（例えば、図１の場合は、油圧シリンダー９１のピストンが徐々に右へ移動する）が、油圧供給源が無いため、油圧は急激に低下する。このため、アキュムレータ９６無しの油圧式締め付け手段９０を用いた場合のシミュレーション結果（図１０Ａ）では、およそ３０時間後にガスケット７の締め付け面圧が下限値１．５ＭＰａに達し、さらに停電が長時間に亘った場合、電解液漏れなどの事象発生が懸念される面圧に達しうる。
一方、アキュムレータ９６を備える油圧式締め付け手段９０を用いた場合、油圧シリンダー９１が伸びた分、アキュムレータ９６内に封入されたガス（ガスバッグ）が膨らむことで、油圧は高いレベルを維持することができる。そのため、アキュムレータ９６を備える場合のシミュレーション結果（図１０Ｂ及び図１０Ｃ）では、１００時間経過後も十分な締め付け面圧を保つことが確認された。なお、図１０Ｂは容積が５Ｌのアキュムレータ９６を用いた場合、図１０Ｃは容積が１０Ｌのアキュムレータ９６を用いた場合のシミュレーション結果である。
１ 隔壁
２ 電極
２ａ 陽極
２ｃ 陰極
２ｅ 導電性弾性体
２ｒ 集電体
３ 外枠
４ 隔膜
５ 電極室
６ リブ
７ ガスケット
５０ 電解槽
５１ｈ ファストヘッド
５１ｇ ルーズヘッド
５１ｉ 絶縁板
５１ａ 陽極ターミナルエレメント
５１ｃ 陰極ターミナルエレメント
５１ｒ タイロッド
６０ 複極式エレメント
６５ 電解セル
７０ 電解システム
７１ 電解液循環ポンプ
７２ 気液分離タンク
７２ｈ 陰極側気液分離タンク
７２ｏ 陽極側気液分離タンク
７４ 供給電源
７５ 濃度計
７６ 濃度計
７７ 流量計
７８ 圧力計
７９ 熱交換器
８０ 圧力制御弁
８１ 配管
９０ 締め付け手段
９１ シリンダー
９２ 遮断弁
９３ 逃がし弁
９４ タンク
９５ ポンプ
９６ アキュムレータ
Ｚ ゼロギャップ構造
２ 電極
２ａ 陽極
２ｃ 陰極
２ｅ 導電性弾性体
２ｒ 集電体
３ 外枠
４ 隔膜
５ 電極室
６ リブ
７ ガスケット
５０ 電解槽
５１ｈ ファストヘッド
５１ｇ ルーズヘッド
５１ｉ 絶縁板
５１ａ 陽極ターミナルエレメント
５１ｃ 陰極ターミナルエレメント
５１ｒ タイロッド
６０ 複極式エレメント
６５ 電解セル
７０ 電解システム
７１ 電解液循環ポンプ
７２ 気液分離タンク
７２ｈ 陰極側気液分離タンク
７２ｏ 陽極側気液分離タンク
７４ 供給電源
７５ 濃度計
７６ 濃度計
７７ 流量計
７８ 圧力計
７９ 熱交換器
８０ 圧力制御弁
８１ 配管
９０ 締め付け手段
９１ シリンダー
９２ 遮断弁
９３ 逃がし弁
９４ タンク
９５ ポンプ
９６ アキュムレータ
Ｚ ゼロギャップ構造
Claims (10)
- 電極を含み、前記電極からガスを発生する電解槽、及び
前記ガスの圧力に応じて前記電解槽の締め付け荷重を制御する締め付け手段を含む、ことを特徴とする電解システム。 - 前記締め付け荷重が、前記ガスの圧力に比例して変化する、請求項１に記載の電解システム。
- 前記ガスの圧力が所定範囲にあるとき、前記締め付け荷重を一定値に保持する、請求項１に記載の電解システム。
- 電解電流値を参照することにより、前記締め付け荷重を補正制御する、請求項１に記載の電解システム。
- 前記締め付け手段にアキュムレータが含まれる、請求項１～４のいずれか一項に記載の電解システム。
- 前記アキュムレータの容積が０．１Ｌ以上１００Ｌ以下である、請求項５に記載の電解システム。
- 前記締め付け手段が、油圧式の締め付け手段である、請求項１～６のいずれか一項に記載の電解システム。
- 前記電解槽が、少なくとも１つの電解セルと、前記少なくとも１つの電解セルを挟むようにして前記電解槽の両端に配置された２つのプレス板とを備え、
前記２つのプレス板の一方と、前記油圧式の締め付け手段とが連結しており、
前記少なくとも１つの電解セルと前記２つのプレス板との間のうち、少なくとも、前記油圧式の締め付け手段と連結しているプレス板と前記少なくとも１つの電解セルとの間に、断熱部材を備える、請求項７に記載の電解システム。 - アルカリ水電解用である、請求項１～８のいずれか一項に記載の電解システム。
- 請求項１～９のいずれか一項に記載の電解システムの使用方法。
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